ICT-081 정보통신실험

12주 - 마이크로폰 증폭기

I. 이론

1. 마이크로폰

ㅇ 마이크로폰: 공기의 진동을 전기신호로 변환하는 장치. Acoustoelectric transducer

ㅇ 진동센서: 고체의 진동을 전기신호로 변환

ㅇ 마이크로폰 종류 [www.audiospares.com]

1) Dynamic microphone

- 자기장 내에서 코일 진동

- 특징: 저가, 견고 (rugged, abuse-resistant = 특히 습기에), 전원공급 불필요. 컨덴서 mic 보다 덜 민감.

고주파 특성 둔감 (최대 15 kHz)

- 용도: 실황공연, 저음 악기 (드럼 등) 녹음

Figure: A moving coil capsule. On the left at the back of the transparent membrane you can see the wire coil, which is surrounded by a permanent magnet [www.neumann.com]

- 명품 (classic) 다이내믹 마이크로폰: Shure = SM57, SM58, SM7B, Super 55; Electro Voice = RE20;

Sennheiser = MD421 II, MD441U

SM58: 전세계적으로 가장 많이 사용되는 stage microphone

Figure: Dynamic microphones. From left to right SM58, SM7B, RE20, MD421 II, MD441U

Figure: Shure SM58 microphone pick-up patterns and frequency response

Shure SM58

Features:

- Frequency response: tailored for vocals (brightened midrange)

- Uniform cardioid pattern: minimizes background noise

- Pneumatic shock-mount: reduces handling noise

- Wind and pop filter: built-in, spherical

- Cartridge: R59

Specifications:

- Frequency response: 50 - 15,000 Hz

- Sensitivity: -54.5 dBV/Pa (1.85 mV) open-circuit voltage @ 1 kHz,

1 Pa = 94 dB SPL

- Output impedance: 300 Ω

- Cable: 7.5 m XLR

- Diameter: 51 mm

2) Condenser microphone

- 전기장 내에서 커패시터 극판 진동

- 소구경과 대구경으로 분류

소구경: 고음 고속 악기 녹음. 클래식 음악공연 실황 녹음

대구경: 저음 저속 악기 녹음. 성악 녹음

드럼: 다이내믹 마이크로폰 + 대구경 컨덴서 마이크로폰 동시 사용

- 특징: 감도 높음. 충실도 우수 (주파수 특성 100 Hz - 20 kHz). 고속 과도 (transient) 특성 (악기, 음성

녹음에 적합). 마이크로폰 전단증폭기 전원공급 필요 (48 V phantom power)

- 용도: 스튜디오 녹음

Figure: Condenser microphone capsule Neumann K47

- 명품 컨덴서 마이크로폰: Neumann = U87, KM184, TLM103; AKG Pro Audio = C414 XLII (small

diagphragm), C1000 S Mk4; Telefunken = U47; Audio-Technica = AT2035 (large diaphragm)

U47: 가장 널리 사용되는 스튜디오 마이크로폰

Figure: Condenser microphones. From left to right U87, KM184, TLM103, C414 XLII, U47, AT2035

KM184

Specifications:

- Frequency response: 20 - 20,000 Hz

- Diameter: 22 mm

- Max. SPL: 138 dB for 0.5% THD

- Sensitivity: 15 mV/Pa

- Self noise: 22 dB (CCIR), 13 dB-A (DIN/IEC)

- Output impedance: 50 Ω

- Recommended load: 1 kΩ

- Powering: 48 V phantom

- Cable: XLR

Figure: KM184 microphone pickup patterns (left) and freqeuncy response (right).

3) ECM (electret condenser microphone): 영구전석 (electret) 사용

- Speaker phone and general low-quality voice: CUI CMC-5044PF-A

- Lavalier microphone: Boya BY-M1 (3.5 mm), Sony ECM-77B

- Communication headset microphone: Koss CS95-USB

- Measurement microphone: Bruel & Kjaer Type 4138, Superflux ECM-999, Behringer ECM8000

- Digital imaging:

- Ribbon microphone: 자기장 내에서 금속 리본 진동

- MEMS (microelectromechanical systems) microphone: 전기장 내에서 커패시터 극판 진동

MEMS: 실리콘 반도체 공정으로 제작한 극미세 기계/전자 구조. 전자부품/센서 구현에 사용

Figure: Internal structure of an ECM [hades.mech.northwestern.edu]

Figure: Electret microphone schematic and biasing [Wikipedia]

References

[1] Wikipedia, "Electret microphone", https://en.wikipedia.org/wiki/Electret_microphone

[2] Neuroscience and Robotics Lab, "Microphones", http://hades.mech.northwestern.edu/index.php/Microphones

Figure: Exploded view of an ECM microphone [makezine.com]

1.2

1.3 MEMS Digital Microphone

- Microphone in the smartphone

- Microphones Apple A13 Bionic: 7-nm 6-core, GPU, neural engine, IEC IP68

참고: IP 등급

IP = International Protection Marking

IP67 = 30 min. @ 1-m water

첫자리: 0 - 6, 먼지로부터 보호, 0: 없음, 6: 완벽보호

둘째자리: 0 - 8, 액체로부터 보소, 0: 없음, 6: 사방으로부터 고압분무, 8: 물속에서 지속 사용)

마이크로폰

[마이크로폰 용도별 분류]

studio microphone : 녹음실 녹음(sound recording)

PA(production audio) microphone: 실음(live sound)

boom microphone: 방송 및 영화 제작

boundary microphone: 회의실(conference room)

lapel microphone: 의상부착. 발표

headset microphone: 콜센터용

[마이크로폰 관련 장비]

microphone 증폭기

power amplifier

sound mixer

PA system

audio recorder

[유무선 마이크]

wired mic

wireless mic: FM 또는 적외선 사용. handheld 형, handsfree 형

[마이크 픽업 패턴]

unidirectional = cardiod, super-cardioid

bidirectional = figure 8

omnidirectional = boundary

switchable

ㅇ 단방향 픽업패턴: Shure 588SDX cardioid dynamic mic, $70

- 특징: low and high impedance, connetivity to the Q-TECH, high durability

- 용도: 학교, 교회, 대중연설

ㅇ 양방성 패턴: Nady RSM-2 platinum ribbon mic, $130

- 특징: ultra-high 165dB SPL capability, unmatched transient response, overall stunning realism, unobstructive mic placement anywhere

- 용도: musicians, studio applications, vocals and instruments

ㅇ 등방성 패턴: Shure Microflex MX393/O, hands-free with surface mount, $200

- 특징: wide frequency, extremely light weight, high quality sound

- 용도: board-rooms, churches, theaters, altars, courtrooms

ㅇ 스위치형 픽업패턴: Samson C03U USB condenser mic with switchable pattern, $130, supercardioid, omni, figure 8

- 특징: direct USB ouput, 고품질 ADC, 컴퓨터 드라이버 제공, extremely detailed sound reproduction, tuned and ported enclosure, compatible with any computer based digital audio workstation, large-diaphragm condenser

- 용도: home recording studio, musician, digital disc jockey

[마이크로폰 기본구조]

Moving diaphragm + Vibration-to-electrical converter

[마이크로폰 종류]

ㅇ 다이내믹 마이크

- 구조:

- 원뿔: 음파렌즈. 입사된 음파를 concentrate

- 장점: versatility, durability

- 단점: 저주파 및 고주파 특성 나쁨

- 제품예:

1) Shure SM58 dynamic vocal microphone

특징: 50-15000Hz, extremely rugged and reliable, frequency tuning designed for vocals

용도: performance venues, lead vocals, conferences

2) Shure SM57 dynamici instrument microphone

특징: 40-15000Hz, extremely rugged and reliable, frequency tuning designed for instruments

용도: performance venues, rehearsals, home recordings

Condenser (Capacitor)

Dynamic

[다이내믹 마이크로폰]

ㅇ 통상적인 형태: a mesh ball on a stick

ㅇ 용도: live sound, 녹음실에서 드럼, 전기기타, bass

ㅇ 특징: 저가, 고내구성, 전원 불필요

ㅇ 구조: 얇은 플라스틱 진동판에 코일이 부착되고 코일이 자기장 하에서 진동함에 따라 기전력 발생.

ㅇ 단점: 플라스틱 진동판에 코일이 붙어 무게 증가로 인해 고주파 특성 제한. 미약한 신호발생에 따라 고증폭(수반되는 고잡음) 필요. → 음압이 클 때는 문제가 안되나 멀리서 들리는 미약한 소리에는 부적합.

ㅇ 제품 예

- Shure SM58 multi-purpose cardiod dynamic microphone: $100

[리본 마이크로폰]

ㅇ 구조: a thin metal ribbon (foil) suspended in a magnetic field. 리본 두께 2μm.

ㅇ 용도: only used in fairly esoteric recording applications by engineers who appreciate the subtleties of the ribbon sound.

ㅇ 장점: smooth, detailed sound, un-colored sound

ㅇ 단점: 다이내믹 마이크로폰 대비 고가 및 저내구성. Sensitive to physical impacts. Easily damaged by power overdrive.

ㅇ 현황: 1930년부터 1950년까지 널리 사용. 커패시터 마이크로폰의 등장으로 사용도 감소.

ㅇ 제품사례:

Nady RSM-2: $130

[컨덴서 마이크로폰]

ㅇ 제품예: Sennheiser e865S supercardiod condenser vocal mic, $280

1) 커패시터 컨덴서 마이크로폰

- 1916년 미국 벨연구소의 E. C. Wente 발명

- 다른 명칭: capacitor microphone, electrostatic microphone

- 종류: DC-biased 마이크로폰, RF/HF 마이크포폰

- DC 바이어스 마이크로폰

구조:

1 = 음파, 2 = 진동극판, 3 = 고정 극판, 4 = 바이어스 전압, 5 = 바이어스 저항 (저항 양단에 마이크로폰 출력전압의 AC 성분이 DC 성분에 실려서 나타난다.

C = 5-100pF, R = 0.1-100GW

동작원리:

평행판 커패시터의 극판이 음파에 의해 진동 → 극판 간격 변경 → 커패시턴스 변경 → 커패시턴스 양단전압 변경(커패시터 전하 = 일정, DC 바이어스에 의해)

마이크포폰에 사용되는 커패시터를 'element' 또는 'capsule'이라 함.

(Samson CL8 true capacitor condenser microphone, professional studio grade)

컨덴서 마이크로폰의 출력이 매우 작으므로 종종 FET 증폭기가 내장된 형태로도 제공됨.

커패시터 컨덴서 증폭기:

컨덴서 = Mini-Condenser Mike Element, Radio Shack ARCHER No 270-085.

2) ECM(Electret Condenser Microphone)

- Electret = electrostatic magnet = 안정적인 유전체 (영구적으로 내포된 정전하가 물질내부에 포함되어 있다)

- 1962년 미국 벨연구소의 G. Sessler와 J. West에 의해 개발됨.

- 동작원리: 영구전석(electret) 판과 평행하게 pick-up plate를 설치하고 전석을 진동시키면 픽업판에 전압이 유도되고 이 전압이 JFET에 의해 증폭됨.

영구전석의 예 = metalized mylar(폴리에스터) film

- 장점: 저가, 광대역(10-30,000Hz) 특성, 고감도

- 단점: 저변 잡음 높음, 왜곡이 큼, 불균일 주파수 특성

- 용도: 마이크 중 가장 널리 사용. 고품질 녹음, 클립형 소형 마이크(lavalier), 전자장치(스마트폰)/전화기 내장 마이크로폰

(분해도)

(왼쪽의 백색 얇은 막이 electret)

(pick-up plate = 구멍이 4개인 금속판)

무선마이크에 적용된 영구전석 컨덴서 마이크로폰

CO9767 by Canopus Electronics (HK): f 9.7, h 6.7, 바이어스 전압 = 1.5/2/3/4.5, 저항 = 660/1k/1.9k/2.2k, 1kHz 에서 감도 = -40dB (0dB = 1V/Pa), 최대전류 0.5mA, 주파수 특성 50-16,000Hz, 신호대 잡음비 > 60dB

Rane Professional Grade Condenser Microphone

ECM 규격서

Canopus, ECM products

CUI, CMA-4544PF-W

Hosiden, ECM products

Panasonic, WM-61A

Rane, MIC1

ECM 증폭기 참고자료

Texas Instruments, LMV1012 - Integrated circuits for high performance electret microphones

ST, TS971 based electret condenser microphone amplifier

Maxim MAX9810 electret condenser microphone cartridge preamplifier

3) Dynamic (Moving-Coil) Microphone

영구자석의 자장에서 코일이 진동 → 유도전압 발생. 음질 우수.

증폭회로: 설계 T. Giesberts, 1998, Elektor Electonics

마이크 출력 임피던스 200W 이하. CMR을 최대로 하기 위해 R1-R4의 비와 R2-R5의 비를 동일하게 함(고정저항을 곤란하므로 가변저항 P1을 이용하여 구현). C1 = dc rejection, R7 = IC1의 부하가 용량성일 경우 안정도를 높이기 위함. R3 = 입력단이 open 일 경우 증폭기 발진 방지. 마이크 케이블이 공진길이인 경우 이의 용량성 임피던스가 증폭기의 안정도를 보장하므로 R3가 불필요. R3는 또한 CMR을 70dB 레벨에서 80dB 레벨로 향상. Total harmonic distortion plus noise가 0.1% 이하 (입력신호 1mV 소스 임피던스 50옴). 이 경우 신호대 잡음비는 62.5dBA. 증폭기 이득 50dB. 1kHz에서 P1을 정밀하게 조정하면 R3을 제거해도 120dB의 CMR 달성. 전원잡음을 L1, L2, C2-C5를 이용하여 decoupling 시켰다.

4) Ribbon microphone

주름진 얇은 금속 리본이 자기장 내에서 진동하여 유도전압 발생.

5) Carbon microphone

두 금속 극판 사이에 탄소분말을 넣고 진동에 의해 극판사이의 저항변화를 이용

6) 압전(piezoelectric) microphone

압력을 전기신호로 변환하는 압전소자 사용

7) 광섬유(fiber optic) microphone

광섬유가 진동할 때 광섬유에서 나와서 반사판에 반사되는 빛의 변화를 이용

8) 레이저 마이크로폰

진동판의 진동에 의한 레이저의 간섭패턴을 이용

9) MEMS(microelectromechanical system) 마이크로폰

MEMS scale의 커패시터 극판 사용한 커패시턴 컨덴서 마이크폰. Microphone chip 또는 silicon microphone이라고도 불림. Wolfson Microelectronics, Analog Devices, Akustica, Infineon, Knowles Electronics, Memstech, NXP Semiconductors, Sonion MEMS, AAC Acoustic Technologies, Omron 등 다수 회사에서 공급 중.

마이크로폰 출력 임피던스

저임피던스 마이크로폰: 출력임피던스 600W 이하.

중간임피던스: 0.6-10kW

고임피던스: 10kW 이상.

영구전선 컨덴서 마이크로폰: 50-200W

대개의 경우 저임피던스 마이크의 사용이 바람직: 고임피던스 마이크가 긴 동축선에 연결될 경우 동축선의 커패시턴스와 마이크의 출력 저항이 저역통과 필터로 작용하여 고주파 성분이 감쇠된다. 긴 고임피던스 선로가 주변잡음(hum 잡음 등)을 더 잘 pick-up한다.

대부분의 마이크 경우 마이크와 마이크의 부하 사이에 임피던스 정합이 불필요하다. 일부러 임피던스 정합을 하면 주파수 특성이 변하고 고음량에서 왜곡이 발생할 수 있다. 일부 리본 또는 다이내믹 마이크의 경우 특정 부하 임피던스를 상정하여 마이크 설계의 일부로 취급하여 설계된다.

다이내믹 또는 컨덴서 마이크의 경우 이에 연결되는 전단증폭기의 입력 임피던스가 마이크 임피던스의 약 10배 정도로 하는 것이 좋다.

[Microphone 규격]

1) Kingston사의 HyperX Cloud Gaming Headset 마이크로폰

ㅇ 트랜스듀서 형식: 컨덴서 (back electret)

ㅇ 동작원리: pressure grdient

ㅇ Polar pattern: cardioid

ㅇ 전원: AB powering

ㅇ 전원전압: 2V

ㅇ 소모전류: 0.5mA 최대

ㅇ 공칭임피던스: ≤ 2.2kΩ

ㅇ Open circuit voltage: 20mV/Pa @ 1kHz

ㅇ Frequency response: 100-12,000Hz

ㅇ THD: 2% @ 1kHz

ㅇ Max. SPL: 105dB SPL (THD ≤ 1.0% @ 1kHz)

ㅇ Microphone output: −39±3dB

ㅇ 캡슐크기: 직경 6mm, 높이 5mm

[용어]

figure-8 directional pattern: 리본 mic

maximum SPL: 165dB for example

transient response (of mic)

XLR

[명품 마이크]

Shure SM57

관련분야

Ultrasonic imaging

Acoustic imaging

Acoustic holography

Acoustic source location: military targets (tanks, submarines), high-voltage discharges, water leaks

Sound recording

Smartphone

Biology research: animal communication (especially sea animal)

Human speech recognition

Human speech analysis

Microphone design